NUEVAS TECNOLOGÍAS EN DRENAJE SUBSUPERFICIAL DE PAVIMENTOS

ICIV 2003-1 13

Nuevas Tecnologías en Drenaje Subsuperficial de Pavimentos 1

Universidad de Los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN DRENAJE SUBSUPERFICIAL DE PAVIMENTOS

Sonia Llorente Enciso

Bogotá, Mayo 2003

ICIV 2003-1 13


TABLA DE CONTENIDO

1. SISTEMAS DE DRENAJE.............................................................................................. 5

1.1 INTRODUCCIÓN.............................................................................................................. 5 1.2 DEFINICIÓN DE PAVIMENTO FLEXIBLE .......................................................................... 5

1.2.1 Capas de Pavimento.............................................................................................. 6 1.3 INFILTRACIÓN DE AGUA ................................................................................................ 7 1.4 ESTRUCTURAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL ................................................................ 9 1.5 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 13

2. NUEVAS TECNOLOGÍAS ........................................................................................... 14

2.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 14 2.2 MÉTODO DE MEDICIÓN ............................................................................................... 14 2.3 MATERIALES EMPLEADOS PARA LAS CAPAS DRENANTES ............................................. 16

2.3.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados (OGDL por sus siglas en inglés) ............................................................................................................ 16 2.3.2 Base Permeable Tratada con Asfalto (ATPB por sus siglas en inglés)............... 18 2.3.3 Geocompuesto...................................................................................................... 22 2.3.4 Dren de barrera capilar (GCBD por sus siglas en ingles) ................................. 25

2.4 SUBDRENES LONGITUDINALES ..................................................................................... 27 2.4.1 Subdren Francés .................................................................................................. 27 2.4.2 Drenes prefabricados .......................................................................................... 29

2.5 MATERIALES EMPLEADOS EN LOS SUBDRENES LONGITUDINALES ................................ 30 2.5.1 Geomembranas permeables................................................................................. 30 2.5.2 Tubería................................................................................................................. 32

3. SISTEMAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL EN COLOMBIA.......................... 35

3.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 35 3.2 MATERIALES EMPLEADOS PARA LAS CAPAS DRENANTES ............................................. 35

3.2.1 Capa de drenaje (colchón filtrador) .................................................................... 35 3.3 SUBDRENES LONGITUDINALES ..................................................................................... 37

3.3.1 Drenaje francés ordinario ................................................................................... 37 3.3.2 Drenaje de Trinchera convencional .................................................................... 37 3.3.3 Drenaje construido con Geotextiles .................................................................... 38

3.4 MATERIALES EMPLEADOS EN LOS SUBDRENES LONGITUDINALES ................................ 39 3.4.1 Geotextiles ........................................................................................................... 39 3.4.2 Tubería................................................................................................................. 40

3.5 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 41

4. VENTAJAS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN COLOMBIA ................................................................................................................. 42

4.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 42 4.2 TECNOLOGÍAS BAJO CONSIDERACIÓN PARA EMPLEAR COMO CAPAS DRENANTES EN LOS DISEÑOS PARA LAS VÍAS EN COLOMBIA.............................................................................. 43

4.2.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados ............................... 43 4.2.2 Base Permeable Tratada con Asfalto.................................................................. 44

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4.2.3 Geocompuesto...................................................................................................... 45 4.2.4 Dren de barrera capilar ...................................................................................... 46

4.3 TECNOLOGÍAS BAJO CONSIDERACIÓN PARA EMPLEAR COMO SUBDRENES LONGITUDINALES EN LOS DISEÑOS PARA LAS VÍAS EN COLOMBIA ...................... 46

4.3.1 Subdren Francés .................................................................................................. 46 4.3.2 Drenes prefabricados .......................................................................................... 47

4.4 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 47

5. MODELACIÓN DEL FUJO DE AGUA EN LA ESTRUCURA DE PAVIMENTO: RESULTADOS NO RELEVANTES ................................................................................ 49

5.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 49 5.2 DESCRIPCIÓN DEL MODELO.......................................................................................... 49 5.3 GENERALIDADES DEL PROGRAMA CLIMA (CARO, GARCÍA 2001)................................ 51 5.4 DATOS EMPLEADOS ..................................................................................................... 52

5.4.1 Climatológicos ..................................................................................................... 53 5.4.2 Mecánicos ............................................................................................................ 53 5.4.3 Hidráulicos .......................................................................................................... 54 5.4.4 Térmicos .............................................................................................................. 54

5.5 RESULTADOS ............................................................................................................... 54 5.5.1 Módulos de rigidez .............................................................................................. 55 5.5.2 Deformaciones verticales .................................................................................... 59 5.5.3 Saturación............................................................................................................ 60

5.6 CONCLUSIÓN ............................................................................................................... 61

6. DATOS RELEVANTES PARA LA REALIZACIÓN DE UNA MODELACIÓN ..62

6.1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 62 6.2 PROPIEDADES .............................................................................................................. 62

6.2.1 Propiedades de los materiales granulares .......................................................... 62 6.2.2 Propiedades de los materiales asfálticos ............................................................ 64

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 66

8. REFERENCIAS.............................................................................................................. 67

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INTRODUCCIÓN

El sistema de drenaje subsuperficial influye de forma importante en el comportamiento del

pavimento a lo largo de su vida útil. Por este motivo es necesario analizar el tipo de

estructuras que se están empleando y las que se han venido desarrollando con el fin de

conocer su comportamiento y así determinar su efectividad. Existe un gran número de

bibliografía sobre la forma en la que el agua penetra y afecta al pavimento, y se ha

concluido que este factor es el causante de la disminución de la resistencia del mismo, y de

la reducción del periodo de vida útil de la estructura (Road Management and Engineering

Journal, 1998; Z. Ahmed et all 1997).

El diseño del sistema de drenaje subsuperficial que se va a aplicar en cada proyecto

depende de muchas variables, entre las que se encuentran; el tipo de suelo, el tipo de

pavimento, las proyecciones de tráfico, y la variable de interés para este proyecto, la

precipitación. Esta es la variable más importante para tener en cuenta a la hora de hacer el

diseño del sistema de drenaje, debido a que es de esta forma como el agua puede llegar a

dañar el pavimento, penetrando por grietas por infiltración o por las cunetas y bordes

laterales. La efectividad del sistema de drenaje subsuperficial empleado en cada proyecto

depende en gran medida de la capacidad que tiene el mismo para evacuar el agua que ya se

encuentra dentro de la estructura. En los próximos capítulos se pretenden explicar

claramente los diferentes sistemas de drenaje subsuperficial de pavimentos con el fin de

que el lector se familiarice con ellos y así tenga el concepto general de la importancia que

tiene este aspecto dentro del comportamiento general de la estructura.

Debido a la gran importancia que tienen las vías en nuestro país, es necesario conocer las

opciones que existen para mejorar las condiciones de diseño, construcción y

mantenimiento, ya que se ha demostrado con el tiempo que las estructuras actuales

funcionan, pero hay que hacer ciertos cambios. El propósito general de este proyecto es el

de dar a conocer de una forma sencilla los sistemas de drenaje subsuperficial que se han

venido utilizado en Colombia, y las nuevas tecnologías que se han desarrollado con el fin

de mejorar la efectividad de los sistemas de evacuación de agua.

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1. SISTEMAS DE DRENAJE

1.1 Introducción

En el presente capítulo se pretende explicar la estructura del pavimento flexible a través de

la descripción de cada una da las capas que la compone. Se explica brevemente el

funcionamiento de cada una de ellas y la relevancia que tienen en cuanto a drenaje

subsuperficial, debido a que este es el tema de interés en esta investigación. Al hablar de

drenaje subsuperficial se tiene implícito el tema de la infiltración de agua dentro de la

estructura, por esta razón también se explicarán los lugares por donde este líquido penetra y

las consecuencias que la presencia del mismo tiene dentro del pavimento flexible.

1.2 Definición de Pavimento Flexible

Un pavimento es una estructura formada por capas superpuestas, cada una de diferentes

materiales, que son colocadas sobre la subrasante (suelo natural). Su función principal es la

de soportar el peso aplicado de las llantas y distribuirlo de tal forma que la subrasante no se

vea afectada, a su vez, es importante que la estructura de pavimento sea resistente a las

condiciones climáticas de la zona.

FIGURA1.1 Estructura de pavimento flexible

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1.2.1 Capas de Pavimento

Rodadura: Su función es la de proveer confort a los vehículos, pero es de gran importancia

en cuanto a drenaje, ya que esta capa esta conformada por bitumen y agregados, haciendo

de esta una unión una mezcla para la superficie, que tiene la cualidad de ser poco

permeable, protegiendo así el cuerpo de la estructura.

Base: Es la capa de pavimento más importante en cuanto a comportamiento estructural se

refiere, a su vez, puede tener la función de “capa drenante” para evacuar eficazmente el

agua infiltrada. No siempre se cumple esta función, ya que muchas veces la capa de base

esta ligada por medio de bitumen, para el caso de capas asfálticas gruesas, lo que no hace

posible obtener una capa altamente permeable.

Sub-base: Esta capa se emplea para la protección de la subrasante, puede ser empleada

como “capa drenante” extendiéndola hasta los bordes para que entre en contacto con los

subdrenes longitudinales.

Membrana de separación: Por lo general el material de esta capa es un geotextil, se puede o

no emplear dependiendo de las necesidades de drenaje del sitio. Su función radica en evitar

la migración de partículas finas hacia la base y a su vez bloquear el paso del agua por

capilaridad desde la subrasante.

Subrasante: Suelo natural. Es de conocimiento general que el agua es el enemigo número

uno del pavimento, es por eso que un buen diseño puede asegurar que el agua extra será

evacuada eficazmente a través de un buen sistema de drenaje subsuperficial. Al hacer

referencia al “agua extra” se esta haciendo énfasis en el agua no deseada dentro de la

estructura, ya que para el diseño y construcción de un pavimento se debe tener en cuenta el

agua empleada para la compactación de las diferentes capas, pero que una vez construidas

se debe tratar de mantener la condición de humedad del pavimento durante su periodo de

vida útil.

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1.3 Infiltración de agua

La forma en la que el agua puede deteriorar el pavimento es clara, una vez dentro de la capa

de base, bajará la capacidad portante de la misma, ayudando así a la formación de grietas y

huecos. Al incluir drenaje, también se está controlando el flujo interno del agua, reduciendo

así las presiones intersticiales y la posible inestabilidad del suelo. En realidad al incluir

drenaje subsuperficial dentro de la estructura del pavimento no se está incrementando el

periodo de vida útil de este, sino que mas bien se esta garantizando su buen funcionamiento

a lo largo del periodo para el que fue diseñado.

Las posibles entradas de agua a la estructura del pavimento son; filtración a través de la

superficie por medio de grietas o en los bordes de la vía, filtración desde secciones

adyacentes al corte, por succión (capilaridad del suelo) o aumento del nivel freático (Figura

1.2).

FIGURA 1.2 Posibles entradas de agua hacia el pavimento

(O’Flaherty, 2002)

La importancia del drenaje subsuperficial en pavimentos, radica en que es difícil impedir

que el agua penetre en la estructura, ya que la superficie bituminosa (en el caso de

pavimentos flexibles) no es completamente impermeable debido al diseño de la mezcla o la

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técnica de construcción y las juntas o grietas mal selladas (en el caso de pavimento rígido)

hacen posible la filtración de agua a través de la capa externa del pavimento. Debido a esto,

es necesario evacuar lo más rápido y eficazmente posible el agua penetrante antes de que

esta llegue a la subrasante y se presenten los problemas anteriormente mencionados.

La solución para cada uno de los diferentes problemas que se presentan es la

implementación de drenaje subsuperficial de acuerdo con las necesidades de la vía. En este

proyecto, no se estudiarán los casos de filtración de agua a través de secciones adyacentes

al corte ya que se tratarán vías de carácter urbano.

Para el caso en el que se espere un aumento no deseado del nivel freático, es necesario

implementar subdrenes longitudinales a ambos lados de la vía. Los subdrenes se deben

colocar a una profundidad mayor que la profundidad mínima deseada del nivel freático bajo

el pavimento. Este método es eficaz, ya que el agua que se encuentra por debajo del nivel

freático está a una presión superior a la atmosférica, entonces fluirá por el dren ya que éste

le proporciona una abertura con presión atmosférica al suelo saturado, haciendo así que el

agua tome ese camino y sea evacuada. En estos casos, aunque la normatividad varía de país

a país, se recomienda que para suelos arenosos no-plásticos la interfase entre Subrasante-

Subbase se encuentre a 1m sobre el nivel freático, mientras que para arcillas arenosas o

limosas esta interfase puede estar a una distancia de hasta 3m, de esta forma se garantiza

que el nivel freático no va a tener un efecto importante sobre el contenido de humedad del

suelo de subrasante y por lo tanto no afectará la estructura del pavimento (O´Flaherty,

2002). La infiltración de agua desde la subrasante depende en gran parte de la calidad del

material del suelo natural, una subrasante con un contenido mínimo de finos puede tener

una permeabilidad alta, permitiendo así la infiltración. Si en un suelo de subrasante el

contenido de partículas finas es mayor, la capacidad del agua de infiltrarse será menor.

Debido a esto es importante categorizar de forma correcta el suelo natural sobre el cual se

va a construir la vía.

La infiltración del agua a través del pavimento depende en gran medida de la habilidad que

posee el agua para atravesar la capa de rodadura (en pavimentos flexibles) o las losas (en

pavimentos rígidos). La presencia de grietas no selladas o juntas en la superficie

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incrementan significativamente la infiltración de agua a las capas inferiores, incluso cuando

no hay presencia de grietas en la capa de rodadura de los pavimentos flexibles, la tasa de

infiltración de agua puede variar considerablemente dependiendo del grado de

compactación de la capa. Se ha encontrado que la infiltración se puede reducir al tener un

alto nivel de compactación, al reducir el contenido de vacíos con aire de un 10% a un 5%,

la permeabilidad de la superficie del pavimento se puede reducir en aproximadamente 2

ordenes de magnitud (Lovering, Cedergren 1984).

1.4 Estructuras de drenaje subsuperficial

Para evacuar el agua que ya ha penetrado al pavimento se debe emplear un sistema de

drenaje subsuperficial, que por lo general consiste en una capa drenante, un geotextil y

subdrenes longitudinales. El buen desempeño del sistema de drenaje depende en gran

medida del desempeño de cada uno de estos elementos, si alguno falla, no habrá drenaje.

Capa drenante

La capa drenante está colocada a lo largo de toda la sección de la vía y se encuentra entre la

capa superior del pavimento y la subrasante. Su función es evacuar el agua que penetró a la

estructura a través de la superficie, pero también sirve para detener el ascenso de agua por

capilaridad. El material colocado en esta capa debe cumplir con ciertas características que

serán nombradas a continuación: debe tener una alta permeabilidad, por lo menos debe ser

100 veces mayor que la permeabilidad de la capa superior del pavimento, alrededor de unos

300m/día (Road Management & Engineering Journal, 1998), el material seleccionado debe

tener baja capilaridad, ser resistente a la ruptura bajo condiciones de humedad por largos

periodos y no ser susceptible de ser bloqueado por partículas finas. Esta capa por lo general

contiene material bien gradado y por lo tanto debe ser protegido con filtros para evitar la

intrusión de material fino desde capas adyacentes por encima o por debajo de la misma.

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Subdrenes

Un subdren está compuesto por una tubería apoyada en el fondo de una fosa rectangular,

por lo general rodeada de un material protector que actúa como filtro, que a su vez está

rodeado por un geotextil (Figura 1.3). Estas fosas son relativamente angostas, el ancho de

las mismas depende del diámetro externo de la tubería más 300mm para drenes con una

altura de pavimento menor a 1,5m o 450mm para drenes con una altura de pavimento

superior a 1,5m. La tubería tiene salidas espaciadas regularmente de tal forma que el agua

recolectada pueda escapar en cantidades convenientes, por lo general el espaciamiento entre

las salidas es menor a 90m, la pendiente sobre la que debe descansar la tubería no debe ser

menor al 5% (1:200). Para que la tubería sea efectiva al permitir el paso de agua a través de

ella, puede ser de tres tipos; a) concreto perforado, plástico, PVC o arcilla vitrificada b)

concreto poroso, o c) concreto sin perforar o arcilla vitrificada colocada con las juntas

abiertas. Las perforaciones de la tubería pueden ser circulares, en este caso las

perforaciones no deben ser mayores a D85 del material del filtro. También se pueden hacer

ranuras para evitar el enarenamiento de la tubería, para este caso las ranuras no deben ser

mayores a 0,85D85. El tamaño de los drenes, debe ser escogido de tal forma que al pasar

por las salidas el caudal no esté al máximo y así no inunde el material filtrante que lo rodea,

por lo general el tamaño de los drenes es de 4 o 6in de diámetro.

FIGURA 1.3 Esquema de un subdren

El material que rodea a la tubería, es usualmente encapsulado por la parte superior con

150mm de material impermeable para evitar la filtración directa desde la superficie a los

drenes y para evitar el riesgo de obstaculización del filtro por partículas finas lavadas desde

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la superficie. La función principal del material de relleno es la de recolectar el agua que se

encuentra cerca de la tubería. Para cumplir con esta función el material debe ser lo

suficientemente grueso para facilitar el acceso del agua a la tubería, pero a su vez debe ser

lo suficientemente fino como para detener la filtración del suelo adyacente, se debe tener en

cuenta que no debe ser demasiado fino ya que podría bloquear las perforaciones de la

tubería. Para que cumpla ambos requerimientos se han establecido estas ecuaciones:

1) 5 < D15 (filtro) / D15 (suelo) > 20

2) D15 (filtro) / D85 (suelo) < 5

3) D50 (filtro) / D50 (suelo) < 25

De acuerdo a estas ecuaciones, se ha establecido que la arena limpia es un buen material de

relleno para los subdrenes (Croney, 1947).

Geotextil El geotextil se emplea en drenes convencionales para rodear el material filtrante actuando

así como un primer filtro entre el suelo y el material de relleno que cubre la tubería, el

geotextil también se puede colocar como una media que cubre la tubería para evitar que las

perforaciones sean taponadas por el material fino. La característica más importante para

elegir correctamente un geotextil es su permisividad, que es una característica que depende

de la permeabilidad del geotextil y de su espesor, ya que la capacidad de flujo aumenta de

forma inversamente proporcional al espesor, por lo general la permisividad de un geotextil

es de 0.05/s. Aunque la permisividad del material es importante, también se deben tener en

cuenta los siguientes criterios (Amoco Fabrics & Fibers Co, 2002);

• Criterio de retención: las aberturas del filtro deben ser lo suficientemente pequeñas

para prevenir la migración de las partículas finas hacia las otras capas del

pavimento.

• Criterio de Permeabilidad: el material del filtro debe ser lo suficientemente

permeable para permitir que el agua pase a través de él sin reducir

significativamente el flujo.

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• Criterio de Obstrucción: el material del filtro debe tener un número significativo de

poros, de tal manera que si un número determinado de partículas de suelo bloquean

algunas aberturas, el flujo seguirá siendo el requerido para mantener la

permeabilidad del sistema.

• Criterio de supervivencia: el material del filtro debe ser fuerte y debe tener una

adecuada resistencia a los químicos y al medio ambiente, para prevenir que el

material sufra daños durante la instalación y durante el periodo de diseño para el

cual es empleado el geotextil.

Los subdrenes pueden colocarse con o sin tubería, para el segundo caso el geotextil se

encuentra en las paredes del material filtrante, se mantiene con separadores de polietileno

en el centro, entonces el agua penetra a través del geotextil y fluye hasta depositarse el

fondo encerrado, para finalmente ser evacuada por salientes localizadas a lo largo. Este

sistema solo funciona para evacuar pequeñas cantidades de agua. Para el primer caso el

geotextil envuelve la tubería de tal forma que el agua viaja a través del cuerpo del geotextil

hasta que entra a la tubería para luego ser evacuada por medio de salientes. (Figura 1.4).

Sin tubería Con tubería

FIGURA 1.4 Clases de subdrenes

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1.5 Conclusiones

El desempeño de una estructura de pavimento flexible depende en gran parte de las

propiedades características de los materiales empleados en las distintas capas que la

conforman. Sin embargo como se observó en el capítulo, la carencia de estructuras de

drenaje impiden el correcto desempeño del mismo. Una de las capas más importantes en

este aspecto es la capa de base granular, ya que no solo actúa como soporte estructural, sino

que es de gran importancia para drenar el agua que se ha infiltrado.

Es importante mencionar que las entradas de agua hacia la estructura son inevitables, no

solo porque a veces el método constructivo no es bueno, sino porque con el paso del tiempo

la formación de grietas facilita la penetración de agua hacia la estructura interna. Debido a

esto, la implementación de una capa drenante y un subdren son de gran importancia. Como

se mencionó anteriormente, la función de la capa drenante es la de transportar el agua hacía

el subdren, para que este último se encargue de evacuarla por medio de un sistema de

tuberías y salientes. La efectividad del conjunto capa/drenante-subdren depende en gran

medida de los materiales que se empleen, por ejemplo un buen geotextil alrededor de la

tubería perforada o del material de relleno debe ser capaz de evitar la infiltración de

partículas finas y a la vez debe permitir el paso libre del agua. Finalmente se debe tener en

cuenta el carácter climático de la zona donde se va a construir la vía, para determinar qué

clase de material se debe colocar como capa drenante y qué tipo de subdren es conveniente

para esa región en especial.

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2. NUEVAS TECNOLOGÍAS

2.1 Introducción

Debido a la importancia que ha venido adquiriendo el tema de drenaje subsuperficial de

pavimentos, en este capítulo se pretenden exponer los diferentes sistemas que se emplean

en la actualidad para evacuar el agua que se encuentra atrapada dentro de la estructura con

el único fin, de que esta funcione correctamente a lo largo de su vida útil de diseño. En el

capítulo anterior se describió la estructura interna del pavimento, y se mencionaron las

funciones de los sistemas de drenaje subsuperficial; ahora lo que se pretende explicar no es

el funcionamiento del mismo, sino cuales son los materiales que se emplean para esto, su

ubicación dentro del pavimento y la razón por la cual funcionan.

2.2 Método de medición

La importancia de la implementación de nuevas estructuras de drenaje radica en que a

medida que pasa el tiempo, la efectividad con la que es evacuada el agua sea cada vez

mejor. Para conocer el resultado de la implementación de nuevos materiales, se deben

realizar medidas para obtener valores que representen la calidad del nuevo sistema. Hasta

ahora, el mejor método para medir la efectividad de nuestros sistemas de drenaje es el

“Flujo de Salida” (J. Harvey et all, 1999).

Este método es una función de la cantidad de agua infiltrada dentro del pavimento y la

permeabilidad de la capa drenante, si la capa drenante es obstaculizada por la intrusión de

material fino, su permeabilidad se verá reducida sustancialmente, de tal forma que esto se

verá reflejado en la disminución de la cantidad de agua evacuada a través de los drenes.

La medida del “flujo de salida” es usada comúnmente como: volumen de salida / volumen

de lluvia, esta medida se denomina eficiencia de drenaje. En lugares donde el ascenso de

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agua por capilaridad es mínimo, este cociente representa la condición del pavimento, es

decir la eficiencia del sistema de drenaje. Este sistema de determinación de eficiencia

presenta dos grandes problemas, uno de los cuales es que la cantidad de flujo de salida

depende de la cantidad de agua que se infiltra dentro del pavimento, y esta cantidad no es

fácilmente determinable. El otro problema que se presenta es el tiempo que requiere el agua

infiltrada para pasar a través de la capa drenante y atravesar el sistema de tuberías de

evacuación, si la capacidad de la capa drenante y el sistema de tuberías de evacuación es

inadecuado, el agua se quedará atrapada dentro del pavimento; lo que conllevaría a los

mismos problemas que se presentan cuando el sistema de drenaje está bloqueado.

En la siguiente descripción de los diferentes sistemas de drenaje (Capas drenantes y

Subdrenes longitudinales) no se presentarán valores numéricos en cuanto a la eficiencia del

sistema, lo que se pretende es exponer la variedad de materiales disponibles en la

actualidad para la implementación del drenaje sub-superficial de pavimentos.

En la Tabla 2.1 se pueden observar las definiciones de las condiciones del drenaje de

pavimentos (AASHTO, 1993). Estas definiciones están basadas en el tiempo que requiere

el 50% del agua libre para drenarse de la estructura.

Calidad del drenaje Tiempo en el que el agua debe ser removida

Excelente 2 Horas

Bueno 1 Día

Regular 1 Semana

Malo 1 Mes

Muy malo No drena

Tabla 2.1 Calidad de las condiciones de drenaje según el tiempo de evacuación

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2.3 Materiales empleados para las capas drenantes

2.3.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados (OGDL por sus siglas en inglés)

Desde la época de los romanos se ha considerado de gran importancia la presencia de una

capa que sea capaz de drenar eficazmente el agua que entra a la estructura. La

incorporación de una capa de agregados abiertamente gradados, como estructura de

drenaje, ha demostrado buenos resultados, y es por esta razón es que en la actualidad se ha

convertido en la capa drenante por excelencia, para los ingenieros que desean realizar un

diseño de pavimentos que posea la vida útil esperada.

Por lo general, para obtener una gradación abierta como es la requerida para cumplir la

función de drenaje dentro del pavimento, se emplean diferentes tipos de roca fragmentada o

triturada; las rocas más empleadas para este propósito son los conglomerados, las areniscas

o se pueden emplear piedras encontradas a la orilla de los ríos. De acuerdo a diferentes

ensayos realizados para conocer la efectividad de una capa drenante compuesta

principalmente por roca triturada, se ha encontrado que el mínimo valor aceptado de

permeabilidad es del orden de los 305m/día, pero preferiblemente este valor se debe

encontrar entre los 610 y los 915m/día, ya que permite que el agua sea drenada del

pavimento en unas cuantas horas, condición que se considera “excelente” según la Tabla

2.1.

Debido a que la capa drenante en la mayoría de las estructuras de pavimento está

conformada por agregados abiertamente gradados y su estabilidad no es muy buena, es

necesario colocar una capa de subbase densamente gradada para cumplir la función de

separación y filtro, previniendo así la migración de partículas finas desde la subrasante o

suelo natural hacia la capa de OGDL, además de brindar estabilidad y un soporte adicional.

Una de las desventajas de colocar una capa de agregados abiertamente gradados con su

respectiva subbase, radica en que no se está previniendo la infiltración de agua hacia la

subbase desde la subrasante, lo que tendrá como resultado una reducción en su módulo de

rigidez, y como esta capa cumple también con una función estructural se verá severamente

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afectada la estructura del pavimento. Para combatir este problema se ha implementado el

uso de un geotextil entre la capa de agregados abiertamente gradados y la subrasante,

eliminando así el empleo de una subbase que tendría ocasionalmente problemas de

saturación.

Anteriormente se había mencionado la falta de estabilidad que se presenta al incluir una

capa de OGDL como capa drenante, es decir, las dificultades que se presentan en el proceso

constructivo son muy altas, por esta razón muchos ingenieros se han inclinado hacia una

tendencia que, aunque presenta muchos problemas y no es la mejor, soluciona los

problemas de estabilidad que se presentan al construir la capa drenante con materiales

densamente gradados. No es la mejor solución debido a que se cree que se está

incrementando de cierta forma la confiabilidad del sistema, pero por el contrario se está

evitando que la capa drenante cumpla con su trabajo. En la gráfica 2.1 se pueden observar

las diferencias de permeabilidad al emplear una capa de OGDL y una capa de material

granular densamente gradado.

Gráfica 2.1 Variación de la permeabilidad en función de la granulometría empleada

(J.Harvey et all, 1999)

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En la gráfica 2.1 se pueden observar las diferencias entre la permeabilidad que se obtiene al

colocar una base abiertamente gradada o una base densa. Por ejemplo, una base DGAB

(densa) tiene una permeabilidad promedio de 4ft/día, mientras que una base abiertamente

gradada (AASTHO No. 57 y No. 67) tiene una permeabilidad de 6,800ft/día o 5,800ft/día

respectivamente.

En conclusión se podría decir que es adecuado emplear una capa de OGDL para garantizar

un buen drenaje, ya que se ha venido haciendo por varios años con buenos resultados,

siempre y cuando se evite que estas estructuras se taponen con el material fino de las capas

adyacentes. Sin embargo, si se requiere una mayor estabilidad, se puede permitir hasta el

5% de material fino debido a que no tendrá mayores consecuencias en cuanto a

disminución de la permeabilidad de la capa.

2.3.2 Base Permeable Tratada con Asfalto (ATPB por sus siglas en inglés)

Se ha implementado el uso de este material directamente debajo de la capa de rodadura ya

que se ha considerado que ésta tiene la capacidad de interceptar el agua que penetra desde

la superficie, antes de que llegue a las capas granulares no tratadas, reduciendo así, el daño

sobre las mismas. Las características que tiene dentro del comportamiento de la estructura

de pavimento son las siguientes:

• Indicador del efecto que tiene la presencia de agua sobre la deformación

permanente y rigidez de la capa.

• Buen comportamiento de la capa bajo condiciones de saturación.

• Identificación del efecto estructural que posee la presencia de esta capa.

Refiriéndose un poco a la historia de este material, se puede observar que ha sido empleado

por Caltrans (California Department of Transportation) desde hace aproximadamente unos

19 años. La filosofía de esta entidad era incluir un material que cumpliera con ciertas

características, para que removiera rápidamente el agua que penetraba a la estructura de

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pavimento ya sea a través de la superficie o por capilaridad, para mantener la capacidad

estructural de los materiales no tratados con la cual habían sido diseñados. Los primeros

diseños de mezcla que se emplearon para cumplir con este objetivo no eran lo

suficientemente buenos y esto se veía reflejado en la repentina separación de la mezcla

bitumen-agregados bajo la presencia de agua. En la actualidad, a pesar de que se han

presentado dificultades, el desempeño de la capa drenante ha sido satisfactorio. Dentro de

las dificultades que se han detectado, está la inclusión tardía de subdrenes y el

taponamiento de los mismos; esto hace que la capa de ATPB trabaje bajo condiciones de

saturación, la cual se ha calificado como no favorable para la misma.

Para los primeros diseños de mezcla de ATPB siempre se mantuvo en mente la idea de

mitigar los problemas causados por la presencia de grandes cantidades de agua bajo la

estructura, los aspectos más importantes a tener en cuenta para el diseño de una capa

drenante efectiva eran: cabeza hidráulica de la subrasante, permeabilidad de todos los

materiales, granulometría apropiada de los agregados y la presencia de subdrenes

longitudinales que permitan la evacuación del agua removida del interior de la estructura.

En un principio se propuso el empleo de una capa de roca triturada (sin finos) colocada

directamente bajo la rodadura para pavimentos flexibles construidos sobre subrasantes que

tuvieran un bajo contenido de material fino, pero finalmente se empleó un tratamiento con

bitumen para la roca triturada ya que aparte de facilitar el proceso constructivo, brindaría

una plataforma estable para la construcción de la vía. Para los casos en los cuales se

presentaba una capa de subrasante con alto contenido de finos, se recomendaba el empleo

de una capa de “filtro” (que podría ser de arena o geotextil) para evitar el contacto directo

entre la capa tratada con bitumen y el material fino de la subrasante. Para los primeros

diseños se recomendaba emplear un único tamaño de roca triturada para la mezcla y entre

el 2 y el 3% de contenido de asfalto, esto con el fin de darle una alta capacidad de flujo y un

rango de estabilidad aceptable. Las permeabilidades se muestran en la Tabla (2.2)

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Tamaño partículas (mm) Permeabilidad (m/día) Proporción de partículas trituradas

25-38 36,600 10%

9.5-19 10,700 50%

2.36-4.75 1,800 100%

Tabla 2.2 Materiales recomendados para la elaboración de la capa de ATPB

( J. Harvey et all, 1999)

Para que la capa de ATPB cumpla con el objetivo de evacuar el agua que penetra al

pavimento según estas especificaciones, solo es necesario un espesor de 75mm, teniendo en

cuenta el empleo de una capa de filtro cuando es necesario, como se mencionó

anteriormente. En el caso en el que el problema de filtración de agua se deba

primordialmente por capilaridad o ascenso del nivel freático, el espesor de la capa debe ser

de 100mm acompañado de un filtro que tenga el mismo espesor, para garantizar que su

desempeño sea bueno a pesar de que se encuentre un poco obstaculizado por la intrusión de

finos.

Con el paso del tiempo se cambiaron algunas especificaciones. En un principio el material

granular que se empleaba era uniforme (entre el 80-90 % entre los tamices 9.5mm-19mm)

con un 25% de material triturado, el asfalto paso a tener un 1,5% de contenido por masa de

agregado con un AR-4000, con estas características se obtenía una permeabilidad de

4,575m/día. Sin embargo se presentaron grandes problemas de deformación durante la

construcción y empleo de esta mezcla, por lo tanto se realizó otra modificación para

mejorar el comportamiento de la capa. En 1984 se incrementó el porcentaje de material

triturado (90%) y se empleó un asfalto con AR-8000, con un contenido de asfalto entre el

2-2.5%. Estos cambios surtieron efecto, pero en 1987 se decidió modificar la temperatura a

la cual se efectuaba la mezcla (<135°C) ya que a una temperatura entre los 135-163°C se

garantizaba un enlace más fuerte entre los materiales, reduciendo así la inestabilidad que se

presentaba en la capa de ATPB después de su construcción.

El resultado de estos cambios ha sido tan satisfactorio que la mayoría de las

especificaciones de la mezcla siguen vigentes hasta el día de hoy.

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En 1999 se empezó a observar la presencia de desgaste (corte en tiras) en la parte inferior

de la capa de ATPB en vías que se encontraban en servicio desde hace más de diez años en

el estado de California. Se cree que este fenómeno se presenta cuando grandes cantidades

de agua entran en contacto con la capa de ATPB a través de grietas o a través de las juntas

de las losas, en el caso de pavimentos rígidos. A raíz de este estudio, se modificó el

contenido de asfalto, entre el 2.5-3% por masa de agregado.

Finalmente se ha concluido que para propósitos de diseño, la capa de ATPB, no contribuye

a la capacidad estructural del pavimento.

Las especificaciones finales para la elaboración de la capa de ATPB se pueden observar en

las tablas 2.3 y 2.4.

Contenido de Asfalto (% masa agregados) 2.5-3.0

Tamaño del tamiz Porcentaje que pasa 25.4 100

19 90-100

9.5 20-55

#4 0-10

Tabla 2.3 Contenido de asfalto y granulometría para la elaboración de la capa de ATPB

(J. Harvey et all, 1999)

% Material triturado Mínimo 90%

Los Angeles Rattler

Pérdida a 500 Rev.

Máximo 45%

Valor de pureza Mínimo 57

Tabla 2.4 Calidad de los materiales empleados en la capa de ATPB (J. Harvey et all, 1999)

El material con las especificaciones mencionadas anteriormente fue sometido a un estudio

por parte del IDOT (Indiana Department of Transportation), ya que no se había

comprobado el desgaste del material al estar en contacto con grandes cantidades de agua, ni

su comportamiento bajo condiciones de saturación.

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Con la realización de este estudio se concluyó que la capa de ATPB puede permanecer

saturada por un periodo significativo de tiempo después de presenciar un evento de lluvia

prolongada, sin embargo los resultados mostraron una reducción significativa en el valor de

Módulo Resiliente y un aumento en la deformación permanente cuando se encuentra bajo

estados de saturación. También se observó la pérdida de cohesión y desgaste en la base de

la capa cuando se encontraban bajo la influencia de cargas cíclicas acompañadas de un alto

grado de saturación. Se encontró que el módulo de rigidez de la capa de ATPB tiene un

valor del orden de 1x106 KPa cuando se encuentra en estado seco, y de 5x105 KPa para

estado saturado.

Al finalizar el estudio, se reportó que el desgaste de la capa de ATPB no era considerado un

gran problema ya que el asfalto que se emplea para ésta, es añadido para darle estabilidad a

la misma durante la construcción y no con fines estructurales. El mayor desgaste se observó

en la base de la capa, y como esta parte es la que experimenta una cantidad de flujo

considerable, la observación era de esperarse.

El éxito de un sistema de drenaje depende en gran parte del comportamiento como conjunto

que cada uno de sus elementos tenga. Por lo tanto la capa de ATPB no funcionará

correctamente sino no se incluye una capa de filtro para que las partículas finas no

obstaculicen los poros, a su vez la capacidad de evacuación de los subdrenes debe

concordar con la cantidad de agua que debe ser evacuada, de acuerdo a la cantidad de lluvia

presente en la zona.

2.3.3 Geocompuesto

Una nueva alternativa para drenar un pavimento se ha venido desarrollando desde hace

relativamente poco tiempo. Este sistema esta integrado por una capa drenante que se

encuentra atada directamente a un subdren (Figura 2.1). La capa drenante, formada por un

geotextil y un cuerpo interno de polietileno que se encuentra amarrado a la tubería del

subdren, puede ser colocada directamente debajo de la capa de rodadura, reemplazando

eficientemente las ya existentes capas drenantes compuestas en su mayoría por materiales

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granulares; de hecho este material permite mejorar el drenaje de capas realizadas con

materiales densamente gradados.

FIGURA 2.1 Estructura del Geocompuesto (B. C. Christopher, A. Zhao 2001)

Debido a la calidad del material, también puede ser colocado entre la capa de base y la

subrasante, garantizando así que el agua infiltrada no llegue hasta el suelo natural, causando

disminuciones en el módulo de este material; a su vez se está reduciendo la capacidad de

infiltración por capilaridad hacia las capas superiores del pavimento. Una de las ventajas

que se obtiene al emplear esta capa es que se reduce significativamente la profundidad del

pavimento al eliminar el uso de una subbase, el efecto positivo se ve reflejado en la

disminución de los costos de la estructura. Cuando se decide emplear un geocompuesto

como capa drenante entre la base y la subrasante, no sólo se esta mejorando el drenaje sino

que también se esta previniendo la infiltración de partículas finas dentro de la base, es

decir, cumple una función de separación. Este efecto, en combinación con el mencionado

anteriormente, permite la estabilización y mejoramiento del soporte para pavimentos

construidos sobre suelos blandos, ya que permite que éstos se consoliden y mejoren con el

paso del tiempo.

Para que el geocompuesto pueda cumplir con las características anteriormente

mencionadas, este debe tener la rigidez necesaria para soportar el proceso de compactación

y el paso del tráfico sin sufrir daños significativos en cuanto a deformación o pérdida de

resistencia; a su vez debe tener la capacidad de flujo necesaria para evacuar eficazmente el

agua infiltrada, evitando así la saturación de la estructura de pavimento. Según la tabla 2.1

para que un sistema de drenaje sea efectivo, el agua que se encuentra dentro del pavimento

debe ser drenada dentro de unas cuantas horas, por lo tanto en este caso el geocompuesto

debe ser capaz de evacuar el agua en el menor tiempo posible. Las permeabilidades del

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geocompuesto se encuentran en el orden de los 275 a los 915m/día, que es relativamente

parecida a la de un material granular abiertamente gradado.

Desafortunadamente la mayoría de las geomallas empleadas para drenaje con

geocompuestos no tienen la misma capacidad de drenaje que los materiales granulares

abiertamente gradados bajo las condiciones de gradientes y de carga en las carreteras. Es

por esta razón que es necesaria la existencia de un vacío dentro del geocompuesto, esto

permite romper la capilaridad evitando la saturación de las capas permitiendo obtener una

capacidad de drenaje equivalente a la de una capa de OGDL. Este geocompuesto tiene en el

centro un cuerpo de polietileno que permite la existencia del vacío, evitando que las

geomallas se toquen entre sí obstruyendo el paso del agua. La estructura de este material

está compuesta por tres capas de redes tensadas que forman un cuerpo interior triplanar y

dos geotextiles no-tejidos a cada lado. La estructura triplanar le brinda a la estructura una

alta resistencia a la compresión y una alta capacidad de flujo, mientras que los geotextiles

evitan el taponamiento de la estructura con partículas finas, permitiendo así solo el paso del

agua a través de ellos.

El subdren longitudinal que se encuentra atado al geocompuesto tiene un diseño muy

simple ya que sólo consiste en una envoltura que cubre toda la tubería perforada, que por lo

general tiene un diámetro entre los 10.16 y los 15.24cm, todo el conjunto (tubería y

geotextil) se encuentra dentro de una zanja, ubicada en el borde de la sección transversal

del pavimento (Figura 2.2).

FIGURA 2.2 Estructura del subdren longitudinal (B. C. Christopher, A. Zhao 2001)

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La selección del geotextil que va a ser parte del geocompuesto es muy importante ya que

una mala elección de este material no permitiría el flujo libre de agua a través de la

estructura. El geotextil debe prevenir la infiltración hacia el sistema de partículas finas, sin

que se tapone con ellas con el paso del tiempo. La FHWA (Federal Highway

Administration) ha establecido 3 principios para el diseño y la selección correcta de este

material:

a) Si los poros de mayor tamaño del geotextil son más pequeños que las

partículas más grandes de suelo, estas partículas no atravesarán el filtro.

b) Si los poros más pequeños del geotextil son lo suficientemente grandes

para que las partículas más pequeñas de suelo sean capaces de atravesar

el filtro, el geotextil no se taponará.

c) El número de aberturas que debe estar presente en el geotextil, debe ser

alto para que el flujo de agua apropiado se mantenga a pesar de que

algunas aberturas se encuentren taponadas con el paso del tiempo.

Las características de filtración del geotextil deben ser comparadas con las características

de gradación y de permeabilidad de la base y de la subrasante para que en conjunto estos

tres componentes funcionen apropiadamente. Los geotextiles más usados para este trabajo

son los no-tejidos.

2.3.4 Dren de barrera capilar (GCBD por sus siglas en ingles)

El dren de barrera capilar drena el agua de la capa superior que se encuentra parcialmente

saturado y evita que el flujo capilar de agua desde el suelo natural hacia la capa superior.

Por lo general el GCBD se coloca entre la capa de base y la subrasante, para que de esta

forma, drene el agua de la base cuando ésta no se encuentra saturada y prevenga que el

agua infiltrada penetre hasta el suelo natural. Las principales funciones del dren de barrera

capilar son:

• Acelerar el drenaje de la base después de la infiltración.

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• Proteger la subrasante.

• Reducir el flujo no saturado (por capilaridad) hacia la base

El método que emplea el GCBD es el de drenar el agua de la estructura del pavimento

cuando el agua está sometida a presiones de poros negativas. Es decir, al contrario de todos

los sistemas de drenaje, esta estructura está diseñada para trabajar cuando la estructura se

encuentra bajo condiciones no-saturadas.

El dren de barrera capilar está formado por un sistema de tres capas que son: una capa de

transporte, una capa de barrera capilar y finalmente una capa de separación. El sistema es

mostrado en la Figura 2.3. Algunos geotextiles no-tejidos se pueden emplear para la capa

de transporte, mientras que una geomalla con poros de gran tamaño puede funcionar como

la capa de barrera capilar. La función de la capa de separación es la de evitar que las

partículas finas se introduzcan y taponen los poros de la capa de barrera capilar; para este

caso también se puede emplear una capa de geotextil no-tejido. A primera vista se podría

decir que este dren se parece al mencionado anteriormente, pero a diferencia del

geocompuesto anterior, en este caso el sistema del dren de barrera capilar está diseñado

para drenar el agua en el geotextil superior (capa de transporte) y no en la geomalla,

cuando se encuentra bajo condiciones no-saturadas. Por esta razón las características más

importantes de los materiales geosintéticos en la configuración del GCBD son las

propiedades hidráulicas no saturadas.

FIGURA 2.3 Esquema del dren de barrera capilar

(K. S. Henry, J. C. Stormont et all 2001)

Las características que debe cumplir la capa de transporte son; que sean lo más

“humedecible” posible, esto quiere decir que el desempeño de la capa puede ser

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incrementado, ya que esta se vuelve más conductiva cuando los valores de cabeza de

succión son grandes. A pesar de que anteriormente se dijo que se podrían emplear

geotextiles para esta capa, según ensayos realizados (Transportation Research Board) el

material que posee las mejores características para cumplir con la función de la capa es

TGLASS (Fibra de vidrio tratada térmicamente), ya que es un material pesado conformado

por multifilamentos que lo hacen muy conductivo frente a grandes cabezas de succión.

A pesar de que se ha demostrado en laboratorio la efectividad de este dren, se necesita

desarrollar todavía más esta tecnología, ya que su costo es relativamente alto; con solo

mantener las características hidráulicas de los materiales pero a un menor costo haría de

este sistema uno de los más empleados para solucionar los sistemas de drenaje.

En conclusión lo que hace revolucionario a este sistema es que se pueden diseñar drenajes

para suelos no-saturados con el propósito de extender la vida útil de la estructura del

pavimento, limitando el tiempo en el que las bases son saturadas y desviando grandes

cantidades de volumen de agua antes de que alcancen el suelo natural y esto solo se logra

con la implementación de esta nueva tecnología.

2.4 Subdrenes longitudinales

2.4.1 Subdren Francés Un dren francés consiste en una tubería perforada enterrada dentro de una zanja rellena de

material granular, que se encuentra cubierta en su totalidad por un geotextil (Figura 2.4). El

funcionamiento del sistema radica en que el agua que se ha infiltrado dentro del pavimento

es evacuada al entrar en contacto con el geotextil, después de esto debe atravesar la

columna de material granular de relleno dentro de zanja, para finalmente entrar a la tubería

perforada y ser evacuada en los pozos de captación más adelante. Es importante resaltar

que para el buen funcionamiento de este sistema se debe garantizar que la interacción entre

el material de relleno y la tubería sea lo suficientemente fuerte y estable como para

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soportar las cargas ejercidas por los vehículos. A su vez, el material de relleno debe ser lo

suficientemente permeable como para permitir que el agua se mueva rápidamente a través

de él y llegue fácilmente a la tubería perforada.

FIGURA 2.4 Estructura del dren Francés

Debido a que existe una gran variedad de materiales para las tuberías perforadas, se ha

recomendado que para efectos de un buen drenaje cuando se emplee una tubería corrugada

no-recubierta, esta debe tener ranuras alrededor de toda la tubería, mientras que para

tuberías de doble pared o tuberías recubiertas, se recomienda que estas tengan pequeñas

perforaciones redondas localizadas en filas a un lado de la tubería para prevenir que el

material circundante se infiltre dentro de la tubería.

Los filtros que se emplean con regularidad para recubrir la zanja son geotextiles livianos

no-tejidos, ya que tienen la capacidad de evitar que las partículas finas provenientes de las

capas del pavimento penetren dentro del material de relleno que recubre la tubería, evitando

así su taponamiento. Es importante resaltar que se emplean geotextiles no-tejidos porque

tienen una alta capacidad de flujo y al mismo tiempo el tamaño de los poros es muy

pequeño. A la hora de escoger el geotextil que se va a emplear es importante conocer la

permeabilidad del las capas de pavimento que rodean al dren francés, pues de esta manera

se podrá seleccionar el que mejor se acomode a las necesidades de la zona en donde se

planea construir la vía.

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El material que rodea a la tubería por lo general está conformado por roca triturada o grava

ya que estos materiales permiten una alta permeabilidad, facilitando así el flujo de agua.

Otra ventaja al emplear estos materiales como relleno, es que mejoran el comportamiento

estructural del sistema de drenaje.

A pesar de que este es el tipo de dren más empleado tiene varios factores en su contra:

requiere zanjas anchas y profundas para acomodar adecuadamente el material de relleno

alrededor de la tubería, el material granular es en su mayoría roca triturada (lo que lo hace

más costoso), y finalmente existe la posibilidad de que se infiltren partículas finas dentro de

la tubería haciendo que esta se tapone y evitando que el agua sea evacuada con rapidez.

2.4.2 Drenes prefabricados Un dren de este tipo está conformado por un cuerpo interno de plástico rectangular, que

está completamente forrado por un geotextil, este puede estar pegado o cosido dependiendo

de la fábrica en donde sea solicitado (Figura 2.5). La función del geotextil es la de permitir

el paso del agua hasta llegar al cuerpo interno del dren, mientras que restringe el paso del

material fino a través de el, evitando el taponamiento del sistema. El funcionamiento del

sistema es muy simple, el agua pasa a través del geotextil para llegar al cuerpo interno de

plástico que se encarga de recolectar el agua infiltrada y la canaliza hasta el sitio de

descarga diseñado previamente.

FIGURA 2.5 Esquema de un dren prefabricado

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El material del cuerpo interno del dren debe ser fabricado con un polietileno de alta

densidad y debe tener una excelente resistencia al ataque biológico y químico ya que va a

estar funcionando bajo condiciones sub-superficiales. El cuerpo interno debe tener una

forma escalonada diseñada para proveer el medio adecuado para la recolección y

transporte de agua. Los requisitos mínimos exigidos son: 1.5Kg/m2 de masa y una rigidez

de 200KPa.

Para el material que envuelve el cuerpo de polietileno (geotextil), este debe ser no-tejido,

debe estar tratado térmica y químicamente para fortalecer los enlaces entre las fibras y

reducir la tensión superficial para que de este modo el agua pueda pasar a través de ella lo

suficientemente rápido. Para efectos de la instalación este material también debe ser

resistente a la abrasión.

El material de relleno que debe ser ubicado al otro lado del dren solo puede emplear arena

gruesa lavada o concreto sin contenido de finos para que garantice estabilidad y a su vez

permita el flujo libre de agua. El relleno es colocado para evitar que las partículas finas del

suelo adyacente al subdren penetren hacia el cuerpo interior del dren prefabricado, evitando

así el posterior taponamiento de la tubería debido a la acumulación de estas partículas.

2.5 Materiales empleados en los subdrenes longitudinales

2.5.1 Geomembranas permeables Este tipo de material se ha venido desarrollando desde hace unos 15 años, más o menos en

el mismo tiempo en el que los geocompuestos se empezaron a emplear como una solución

para el drenaje de pavimentos. Se podría decir que este material es un tipo de sándwich en

el que las cubiertas exteriores son geotextiles y la parte central esta conformada por una

geomalla. La función de este dren es la de dirigir el agua que penetra dentro la estructura

directamente hacia el sistema de tubería que posteriormente se encargará de evacuar el agua

drenada. La idea final de la implementación de este tipo de material es la de eliminar la

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necesidad de emplear una capa de relleno de material granular, para de esta forma reducir

un poco tanto el tiempo de construcción como los costos de la misma.

Existe una gran variedad de compuestos empleados para el drenaje subsuperficial de

pavimentos y todos ellos utilizan distintas clases de membranas; algunos tienen ambas

caras permeables, mientras que otros poseen una cara impermeable y la otra permeable

(Figura 2.6). En cuanto a la capa interna la variedad radica solo en el ancho de la misma

para que esté de acuerdo con los diferentes regímenes de flujo requeridos. Sin importar la

combinación de membranas que se tenga, la idea principal es que la membrana interior

actué como un canal mientras que las membranas exteriores evitan el ingreso del material

fino al subdren.

La ubicación de las geomembranas permeables puede variar según las características de la

vía, se pueden emplear de forma tal que envuelvan por completo el material de relleno

alrededor de la tubería o por el contrario pueden estar recubriendo la tubería.

FIGURA 2.6 Esquema de las geomembranas (Terram, 2001)

Para el correcto funcionamiento de las geomembranas, la ASTM ha establecido algunos

valores mínimos que cada uno de los componentes debe tener; éstos se muestran en las

tablas 2.5 y 2.6 para la membrana interior y para las membranas exteriores respectivamente.

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Propiedad Valor Unidades

Ancho 1 In

Resistencia a la compresión 6000 Psf

Tabla 2.5 Propiedades del cuerpo interior de las geomembranas (Terram, 2001)

Propiedad Valor Unidades

Elongación 50 %

Coeficiente de permeabilidad 0.2 cm/s

Estabilidad UV 70 retenido después de 500 horas %

Tabla 2.6 Propiedades de las membranas permeables que componen a las geomembranas

(Terram, 2001)

2.5.2 Tubería

Este elemento es de gran importancia debido a que su principal función es la de recoger y

evacuar el agua sobrante atraída mediante las capas drenantes. Generalmente la tubería es

colocada horizontalmente en el borde del pavimento con una ligera pendiente para que el

desagüe se produzca por gravedad. Actualmente se están empleando tuberías de polietileno

o PVC; este tipo de tuberías han venido reemplazado a las anteriormente fabricadas con

concreto o con metal debido a que son más económicas y ofrecen una mayor resistencia. La

variedad en este tipo de elemento fundamental dentro del drenaje subsuperficial radica en

que su superficie puede ser lisa o corrugada, de pared doble o sencilla y que las

perforaciones por las cuales el agua penetra pueden tener una forma redondeada o puede ser

simplemente por medio de ranuras (Figura 2.7).

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a) b)

c) d)

e) f)

FIGURA 2.7 Esquema de las diferentes clases de tubería

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a) La tubería lisa hace que la estructura de la misma sea rígida, evitando así que

irregularidades en el terreno la deformen y obstaculicen el paso libre del agua

evacuada.

b) Una tubería corrugada es flexible, por lo tanto sería susceptible a la deformación por

ondulaciones en el terreno.

c) La funcionalidad de la doble pared es la de proporcionar una superficie interna lisa,

que permite una menor fricción entre el agua y la tubería, a su vez le proporciona a

la misma una mayor rigidez.

d) Para el caso en que la tubería es corrugada y de pared simple, el flujo de agua se

puede ver obstaculizado por las ondulaciones presentes en la misma.

e) Las perforaciones redondas de una tubería permiten el flujo libre del agua con la

desventaja de que debido a su forma, las partículas que logran penetrar en geotextil

encajan perfectamente en ellas y las taponan, reduciendo así su capacidad de

captación.

f) Las ranuras presentes en una tubería también permiten el flujo libre del agua con la

ventaja de que en caso de presentarse un taponamiento con partículas finas, estas no

clausuran en su totalidad la ranura.

El empleo de materiales como el PVC o el polietileno se ha incrementado en los últimos

años debido a que una de sus ventajas es que proporciona un mejor flujo debido a su

superficie más lisa y por otro lado tienen una alta resistencia a la abrasión al mismo tiempo

que poseen una mayor resistencia química.

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3. SISTEMAS DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL EN COLOMBIA

3.1 Introducción

Es indudable que el avance en cuanto a tecnologías para drenaje subsuperficial de

pavimentos ha mejorado la forma en la que se evacua el agua de la estructura en la

actualidad. Sin embargo, hace falta mucha investigación a cerca de la relación costo-

beneficio que la inclusión de estos sistemas puede tener. En Colombia se han venido

incluyendo estos sistemas para la evacuación del agua infiltrada dentro del pavimento. Sin

embargo debido a problemas de costo y manufactura de las tecnologías mencionadas en el

capítulo anterior, los sistemas de drenaje subsuperficial de pavimentos empleados en el país

son ligeramente diferentes, como se verá a continuación.

3.2 Materiales empleados para las capas drenantes

3.2.1 Capa de drenaje (colchón filtrador)

El principio básico bajo el cual funciona el colchón filtrador es el de remover el agua

infiltrada dentro de la estructura de pavimento, interceptándola con un material que tenga

una porosidad mayor a la del suelo natural. Por lo tanto, el principal requerimiento de este

material es su capacidad para mover la cantidad de agua que se infiltra y evacuarla. El

material empleado para cumplir con esta función es por lo general grava y arena con un

tamaño máximo de 5 cm y con un máximo de 2% de material fino pasa 200. En las normas

Colombianas el espesor mínimo que debe tener esta capa es de 15cm (G. Keller, G. Bauer,

M. Aldana 1995).

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Para garantizar el buen funcionamiento de la capa de drenaje se recomienda, según el

artículo 330-96 del manual del INVIAS, una granulometría como la siguiente:

Tamiz Porcentaje que pasa

Normal Alterno BG-1 BG-2

37.5 mm 1 ½” 100

25.0 mm 1” 70-100 100

19.0 mm ¾” 60-90 70-100

9.5 mm 3/8” 45-75 50-80

4.75 mm No. 4 30-60 3565

2.0 mm No. 10 20-45 20-45

425 µm No. 40 10-30 10-30

75 µm No. 200 5-15 5-15

Tabla 3.1 Granulometría recomendada para la conformación del colchón filtrante

(G. Keller, G. Bauer, M. Aldana 1995).

Este tipo de material puede ser producto de la trituración de piedra o roca, también puede

ser una mezcla de los dos, pero se debe garantizar que el material sea duro y resistente. Por

lo general no se exige ningún tipo de gradación especial, de esta forma es permitido el

empleo de fragmentos de un mismo tamaño.

El único material empleado para la capa drenante en Colombia es el anteriormente

mencionado, las limitaciones se deben a la inseguridad que se tiene al no conocer con

exactitud el beneficio en cuanto al ahorro en mantenimiento a largo plazo y los costos que

se deben asumir durante la construcción. La otra razón por la cual se emplea únicamente

material granular para la capa drenante es la gran cantidad de fuentes de extracción en el

país y el costo del mismo.

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3.3 Subdrenes longitudinales

3.3.1 Drenaje francés ordinario

Este tipo de subdren empleado en Colombia es muy apto para abatir el nivel freático y

transportar una cantidad considerable de agua. Las zanjas pueden ser construidas con

pendientes grandes, evacuan rápidamente el agua y no requieren de gran mantenimiento. Su

funcionamiento y estructura es igual a la del Subdren francés explicada anteriormente, pero

a diferencia de este, el empleado en nuestro país no lleva tubería (Figura 3.1).

FIGURA 3.1 Esquema de un Dren francés ordinario

( Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial 1998).

3.3.2 Drenaje de Trinchera convencional

La función principal de este tipo de estructura de drenaje es la de evacuar el agua por medio

de la tubería incluida en el subdren. La tubería por lo general es de PVC o de carácter

metálico, debe estar perforada y a su vez se encuentra rodeada en primera instancia por un

material granular grueso que a medida que se aleja de la tubería se vuelve de menor tamaño

(Figura 3.2).

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FIGURA 3.2 Esquema de una trinchera convencional


3.3.3 Drenaje construido con Geotextiles

Este tipo de subdren es el único empleado en Colombia cuya estructura incluye geotextil.

El empleo de este material en nuestro país ha venido ganando cada vez más aceptación

debido a que facilita la construcción del subdren y a que en determinadas zonas del

territorio nacional escasea el material granular grueso. Dependiendo de las condiciones

hidrológicas de la zona, el subdren puede o no llevar tubería.

FIGURA 3.3 Esquema de un dren construido con geotextil


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El empleo del geotextil como material de filtro permite recubrir de diferentes formas el

material de relleno del subdren, en Colombia se emplea de tres formas diferentes: se puede

extender directamente sobre la trinchera, se puede colocar hasta el fondo de la zanja

recubriendo así los bordes laterales de la misma, para luego colocar el material dentro del

geotextil, o se puede colocar hasta el fondo de la zanja pero se traslapa sobre el relleno y se

recubre con otro material.

3.4 Materiales empleados en los subdrenes longitudinales

3.4.1 Geotextiles

Este material se puede emplear como capa de separación, usualmente entre la capa

drenanate y la capa de suelo natural para evitar la filtración de material fino y como filtro

alrededor del subdren para permitir el flujo de agua.

Los requisitos que debe cumplir este material según las normas Colombianas son (Instituto

Nacional de Vías, 1998; G. Keller et all 1995): el tamaño de la apertura del geotextil debe

ser menor que D85 a D60 correspondiente al material que se encuentra adyacente al

separador. Para evitar la acumulación excesiva de presión de poros en el material fino, el

geotextil debe ser poroso y debe tener la capacidad suficiente para evacuar el agua que se

ha infiltrado dentro de la estructura del pavimento, es decir, debe tener una permeabilidad o

transmisividad mayor a la del suelo adyacente.

Por lo general en la mayoría de los proyectos se emplean geotextiles no-tejidos, con un

peso de 4,5 onzas por yarda cuadrada, sin embargo es permitido el uso de un material de 6

onzas por yarda cuadrada en caso de tener condiciones difíciles de construcción. Los

geotextiles tejidos no son muy empleados pero en situaciones críticas de filtración

funcionana mejor, la única condición con la que debe cumplir es que este deberá tener un

área abierta de más del 4%. Las fibras que conforman el cuerpo del geotextil deben

consistir en cadenas largas de polímeros sintéticos resistentes a la radiación ultravioleta (G.

ICIV 2003-1 13


Keller, G. Bauer, M. Aldana 1995). Se ha determinado que estas relaciones son importantes

debido a que los materiales de diferente gradación que se encuentran adyacentes y están

sujetos al movimiento de agua subterránea presentan dificultades al no poseer material de

separación/filtración.

Un geotextil empleado para drenaje debe cumplir con lo siguiente:

• Conducción de agua: evacuar el agua presente dentro de la estructura de

pavimento.

• Espesor: debe ser suficiente en caso de aumentar la tensión normal.

• Estabilidad mecánica: impedir el lavado de partículas finas.

• Comportamiento a largo plazo: evitar la colmatación del drenaje.

Un geotextil empleado para filtrar/separar debe cumplir con lo siguiente:

• Retención de partículas: evitar que el material fino se infiltre hacia la capa

adyacente.

• Estabilidad hidráulica: garantizar el paso del agua sin presión.

• Comportamiento a largo plazo: resistencia química, no degradable.

3.4.2 Tubería

En Colombia la tubería colocada en el subdrén es por lo general matálica o de PVC debido

a que se ha demostrado su resistencia, durabilidad y su buena capacidad de transporte de

agua. El diámetro de tubería más empleado en nuestro país es de 10 a 15cm, puede tener

perforaciones o ranuras y por lo general la longitud de la misma oscila entre los 20 y los

60m. Para el caso de la tubería ranurada, las ranuras de la misma se encuentran repartidas a

lo largo de la circunferencia de tal forma que los ángulos entre los centros de las mismas

son de 120° y su longitud es de 3cm. En la tubería perforada solo la mitad del tubo se

ICIV 2003-1 13


encuentra perforado, las perforaciones se encuentran a 22° la una de la otra. Las

especificaciones de la tubería se encuentran ilustradas en la figura 3.5.

FIGURA 3.5 Diseño de la tubería para subdrenes en Colombia

(Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial 1998).

3.5 Conclusiones

En Colombia se ha incrementado el empleo de estructuras de drenaje subsuperficial de

pavimentos ya que se ha evidenciado su funcionalidad. Sin embargo, la relación costo-

beneficio todavía no es muy clara y por lo tanto muchas empresas continúan con la creencia

en un mantenimiento continuo en vez de una inversión inmediata en drenaje subsuperficial.

Una de las desventajas que posee nuestro país en cuanto a este tipo de sistemas es su

elaboración. Muchos de los materiales empleados en los sistemas de drenaje subsuperficial

son fabricados fuera del país y por lo tanto se incrementaría el costo de su implementación,

ya que estos materiales serían importados directamente de otros países. Sería importante

apoyar empresas nacionales para que incursionaran en la fabricación de ciertos materiales

como geocompuestos, geomallas y otras tecnologías para bajar los costos de los mismos, y

así ayudar en la implementación de sistemas de drenaje para las vías en Colombia.

ICIV 2003-1 13


4. VENTAJAS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN COLOMBIA

4.1 Introducción

La importancia que tienen las vías dentro de la economía de nuestro país, hace que la

preocupación por el mejoramiento de los métodos de diseño, construcción y mantenimiento

sea una constante en los últimos años. Mediante la implementación de drenaje

subsuperficial en nuestras vías, es probable que el desempeño de las mismas mejore debido

a que las condiciones inicialmente propuestas en el diseño podrán ser mantenidas por un

periodo de tiempo un mayor. Debido a la gran importancia que tienen los sistemas de

drenaje subsuperficial en este capítulo se pretenden exponer las ventajas y las desventajas

que cada una de las tecnologías mencionadas en el segundo capítulo podrían tener a la hora

de ser seleccionadas para un diseño determinado de un pavimento.

ICIV 2003-1 13


4.2 Tecnologías bajo consideración para emplear como capas drenantes en los diseños

para las vías en Colombia

4.2.1 Solución convencional: Agregados abiertamente gradados

Ventajas Desventajas

Material: roca fragmentada o triturada

(Areniscas o Conglomerados), se

encuentran con facilidad dentro del

territorio Colombiano.

Subrasante: requiere de una capa

adicional de subrasante con material

densamente gradado para adicionarle

estabilidad a la estructura.

Permeabilidad: por lo general este

material permite valores entre 610m/día

y 915m/día, los cuales según la

AASHTO son valores de excelente

calidad para drenaje.

Geotextil: en caso de colocar una

subrasante, es necesario separar estas

dos capas de material granular para

evitar la infiltración de partículas finas

y así evitar la reducción posterior de

permeabilidad de la capa drenante.

Costos: el material no suele ser muy

costoso.

Construcción: se presentan dificultades

en el método constructivo debido a la

inestabilidad del material.

Trayectoria: se ha demostrado la

efectividad del material dentro de la

capa drenante. Es el método empleado

en la actualidad en Colombia.

Costos: en caso de colocar una

subrasante se incrementarán los costos

debido al requerimiento de una mayor

excavación.

Estabilidad: esta capa de material

granular contribuye con el

comportamiento estructural del

pavimento.

Tabla 4.1 Ventajas/Desventajas de la capa de agregados abiertamente gradados

ICIV 2003-1 13


4.2.2 Base Permeable Tratada con Asfalto


Material: roca triturada tratada con

asfalto, puede ser colocada

directamente debajo de la capa de

rodadura.

Estructural: esta capa de material

drenante no contribuye con la

capacidad estructural del pavimento.

Estabilidad: el asfalto de la mezcla

permite que el desempeño de la capa

no requiera material adicional.

Geotextil: requiere de una capa de filtro

para evitar que las partículas finas de la

capa adyacente obstaculicen los poros.

Permeabilidad: debido a la falta de

finos, tiene una alta porosidad que le

permite ser lo suficientemente

permeable como para evacuar el agua

rápidamente.

Costos: no se conoce con exactitud la

relación costo-beneficio de la

implementación de este material como

sistema de drenaje subsuperficial.

Trayectoria: tiene un buen

comportamiento bajo condiciones de

saturación, a pesar del desgaste sufrido

por el material asfáltico cuando está

sometido a ella por largo tiempo.

Espesor: para un buen desempeño

como capa drenante bajo condiciones

de lluvia normales, solo se necesita un

espesor de 75mm.

Tabla 4.2 Ventajas/Desventajas de la capa de base permeable tratada con asfalto

ICIV 2003-1 13


4.2.3 Geocompuesto


Material: esta integrado por dos

geotextiles en los bordes y un cuerpo

interno de polietileno que evita que los

geotextiles se toquen y eviten el paso

libre de agua cuando se encuentran

obstruidos algunos de sus poros.




Estructura: la capa drenante

(geotextiles + cuerpo de polietileno)

esta atada directamente al subdren, lo

que hace que este sistema funcione

como conjunto.

Costos: debido a que este sistema esta

bajo investigación, en la actualidad no

se tienen datos sobre su costo.

Espesor: se reduce considerablemente

la profundidad de la excavación ya que

la capa drenante tiene como máximo

5cm de espesor.

Construcción: el método constructivo

debe ser cuidadoso debido a que la

unión entre el subdren y la capa

drenante es frágil.

Funcionalidad: debido a que se ubica

debajo de la base, cumple la función de

separar el suelo natural de la base

evitando la contaminación de la capa.

Estabilidad: debido a la estructura de la

capa drenante, esta contribuye a la

consolidación rápida de suelos

naturales blandos.

Permeabilidad: debido a su alta

porosidad y vacío interno permite

valores entre 275m/día y 915m/día.

Tabla 4.3 Ventajas/Desventajas del geocompuesto

ICIV 2003-1 13


4.2.4 Dren de barrera capilar


Material: es una capa drenante

conformada por tres capas de materiales

geosintéticos diferentes.

Costos: el material empleado para la

capa superior es costos y esto hace que

el sistema no sea muy asequible.

Tecnología: la capa que drena el agua es

la superior, a diferencia de los otros

sistemas ya analizados.




Comportamiento: trabajo bajo

condiciones no-saturadas

Comportamiento: no se ha evaluado su

desempeño bajo saturación.

Espesor: se requiere una menor

profundidad de excavación.

Tabla 4.4 Ventajas/Desventajas del dren de barrera capilar

4.3 Tecnologías bajo consideración para emplear como subdrenes longitudinales en

los diseños para las vías en Colombia

4.3.1 Subdren Francés


Material: el relleno empleado en este

tipo de drenes es fácilmente encontrado

en el país.

Geotextil. debido a que recubre en su

totalidad el subdren, existe la

posibilidad de un taponamiento rápido.

Trayectoria: se ha demostrado que este

sistema es efectivo cuando lleva

tubería. En Colombia se emplea este

tipo de subdren sin tubo en el interior,

por lo tanto su desempeño se podría

mejorar al incluir tubería.

Costos: requiere de una mayor

excavación para poder construir las

zanjas de un tamaño adecuado.

Tabla 4.5 Ventajas/Desventajas del subdren francés

ICIV 2003-1 13


4.3.2 Drenes prefabricados


Material: el cuerpo interno de plástico

permite una gran resistencia química y

biológica.

Costos: el material de relleno que debe

encontrarse al otro lado del subdren,

por lo general concreto, hace que se

incremente significativamente el costo

de la estructura.

Geotextil: este material recubre en su

totalidad al subdren, manteniendo al

subdren libre de partículas de suelo

adyacente.

Estabilidad: el relleno garantiza la

estabilidad lateral del pavimento.

Filtro: el empleo del subdren garantiza

que las partículas finas del suelo

adyacente al subdren no se infiltrarán

dentro del cuerpo de plástico,

reduciendo así su capacidad de evacuar

agua.

Tabla 4.6 Ventajas/Desventajas de los drenes prefabricados

4.4 Conclusiones

En el mundo, a pesar del avance de la tecnología en cuanto a drenaje subsuperficial de

pavimentos, la mayoría de las aplicaciones de este tipo continúan relegándose a los

materiales granulares ya sea grava o arena. Sin embargo es importante resaltar que ahora

los diseños para este tipo de materiales están basados un balance entre los vacíos formados

por las partículas grandes para permeabilidad y los vacíos formados por partículas pequeñas

para retención de suelo. Es importante resaltar que cuando se empleen bases abiertamente

ICIV 2003-1 13


gradadas se deben emplear geotextiles de separación para preservar la permeabilidad de la

base. Estos diseños han demostrado un buen desempeño, pero como su funcionamiento no

siempre es el mejor, se han venido desarrollando nuevas tecnologías.

El desarrollo de los geosintéticos se podría decir que es el más importante en este tiempo ya

que cumple con los requisitos de permeabilidad y de retención de suelos. Por lo general un

sistema de drenaje en este tipo de material será menos costoso que un drenaje con suelo

natural, tanto por la profundidad de la excavación, como por el costo de la instalación del

material. El comportamiento del material ha sido bueno y esta es la principal razón por la

cual muchos ingenieros y muchas compañías han integrado los geosintéticos a sus diseños.

La participación de la AASHTO (American Association of State Highway and

Transportation Officials) ha sido de gran importancia para el diseño y selección de los

materiales geosintéticos a raíz de la especificación M288-96, con la cual se han venido

diseñando los materiales de este tipo.

El desarrollo de nuevas tecnologías en cuanto a sistemas subsuperficiales de pavimentos

esta logrando un objetivo claro: mantener el periodo de vida útil del pavimento para el cual

fue diseñado. Sin embargo, un elemento faltante dentro de todo esto es preocupante, debido

a que el costo de los sistemas de drenaje subsuperficial es alto en cuanto a material,

construcción y mantenimiento la relación costo-beneficio es un aspecto que no se ha

desarrollado claramente. La implementación de un sistema de drenaje de este tipo significa

un alza en costos iniciales y de mantenimiento, por lo tanto este aspecto tiene un potencial

de selección grande, que de una u otra forma terminará afectando el diseño final. Es decir,

se requiere una mayor investigación en cuanto a la relación costo-beneficio que posee la

implementación de una capa drenante y su correspondiente subdren longitudinal dentro de

la estructura de pavimento.

Como se mencionó en el capítulo anterior el principal problema que se presenta en nuestro

país para la implementación de nuevas tecnologías en drenaje, es el costo de las mismas.

Estas tecnologías son costosas debido a la calidad de los materiales y al transporte de los

mismos. Es importante tener claridad en los conceptos de costo-beneficio en la

construcción de vías, para así convencer a las distintas entidades sobre los beneficios que

trae la inversión en sistemas de drenaje.

ICIV 2003-1 13


5. MODELACIÓN DEL FUJO DE AGUA EN LA ESTRUCURA DE PAVIMENTO: RESULTADOS NO RELEVANTES

5.1 Introducción

El objetivo de la modelación era determinar la capacidad que posee un pavimento flexible

para drenar el agua que penetra dentro de la estructura. Para observar la eficiencia que tiene

el pavimento en cuanto a drenaje, se pretendía interpretar la influencia que posee cada uno

de los materiales empleados en las distintas capas al variarlos de tal forma, que las

diferentes combinaciones contribuyan a obtener la información necesaria para este fin.

Para realizar la modelación se empleó el programa Clima (Caro, García 2001), el cual

simula el comportamiento de la estructura de pavimento bajo la influencia de datos de

pluviosidad y temperatura.

5.2 Descripción del modelo

Las diferentes estructuras de pavimento flexible que se emplearon para la modelación están

formadas principalmente por cinco capas, estas son; rodadura, base (asfáltica), subbase

(granular), geotextil y subrasante. Para determinar la influencia que tiene el material

empleado en cada capa se pensaban realizar 16 modelos en los cuales las únicas estructuras

fijas en todos fueron la capa de rodadura y el geotextil. Debido a que este trabajo se centra

en la importancia que tiene incluir estructuras de drenaje dentro del pavimento, además de

las ocho modelaciones mostradas en la Figura 3.1, se realizaron otras ocho, con las mismas

propiedades que las mostradas, pero en las cuales se incluye el subdren longitudinal. A

continuación se muestran las diferentes modelaciones que se deseaban realizar:

ICIV 2003-1 13


a) Estructura de pavimento 222 b) Estructura de pavimento 212

c) Estructura de pavimento 221 d) Estructura de pavimento 211

e) Estructura de pavimento 122 f) Estructura de pavimento 112

ICIV 2003-1 13


g) Estructura de pavimento 121 h) Estructura de pavimento 111

* Todas las medidas se encuentran en cm

FIGURA 5.1 Estructuras de pavimento para la realización de la modelación.

La numeración de las diferentes estructuras de pavimento basa principalmente en el valor

del módulo de rigidez y su respectiva permeabilidad, por lo tanto para las capas a las cuales

se les asignó el número (1) su módulo de rigidez es alto al igual que su permeabilidad,

mientras que los materiales a los cuales se les asignó el número (2), poseen valores bajos en

cuanto a estas dos propiedades se refiere. Esto se planeaba realizar de esta manera para

poder observar con detenimiento la influencia que poseía cada capa sobre el

comportamiento general de la estructura.

La modelación pretendía mostrar de manera cualitativa el efecto de poseer o no un sistema

de drenaje adecuado de acuerdo con las condiciones climáticas impuestas. Por medio de

este modelo se pretendía observar la variación en los módulos de rigidez, los esfuerzos, las

deformaciones y el tiempo de saturación para cada una de las estructuras.

5.3 Generalidades del programa Clima (Caro, García 2001)

El programa empleado para la realización de este proyecto está basado en el

comportamiento de la estructura de pavimento ante variaciones en los diferentes parámetros

de pluviosidad y temperatura. El programa emplea diferencias finitas para simular el flujo

de agua y calor al interior de la estructura de pavimento a través del tiempo. Con base en

esta información, el programa estima la variación de las propiedades mecánicas de los

ICIV 2003-1 13


materiales (módulos de rigidez) a través del tiempo. Las características de gran importancia

a mencionar dentro del modelo son:

• Se considera que el material de las capas es homogéneo.

• Existe una única relación entre succión y saturación.

• No existe variación del volumen a través del tiempo.

• Las propiedades térmicas de los materiales son constantes a través del tiempo.

La geometría de modelo es como sigue:

* Todas las medidas se encuentran en centímetros.

FIGURA 5.1 Geometría del modelo (Caro, García 2001)

El análisis de la información se procesa a través de una interfaz gráfica programada en

MATLAB .

5.4 Datos Empleados

Para obtener los resultados requeridos en la simulación, los datos que se emplearon fueron

de carácter climatológico y propiedades mecánicas, hidráulicas y caloríficas de los

materiales. Estos datos fueron tomados de diferentes fuentes bibliográficas (Bowles, Joseph

E. 1982; Manual de diseño de Pavimentos para Santafé de Bogotá, 1998).

ICIV 2003-1 13


5.4.1 Climatológicos

Para la elaboración de la simulación se emplearon los datos climáticos de la estación del

Chapetón (Tolima), estos datos corresponden a pluviosidad, temperatura y brillo solar

correspondientes a los meses de Mayo, Junio, Julio y Agosto del 2001.

5.4.2 Mecánicos Capa Poisson E0 (Kg/cm2) Esat (Kg/cm2) Porosidad

Rodadura 0.35 55000 X 0.10

Base 1 0.35 60000 X 0.15

Base 2 0.35 94000 X 0.15

Subbase 1 0.35 * * 0.50

Subbase 2 0.35 * * 0.30

Geotextil 0.35 40000 40000 0.50

Subrasante 1 0.35 1000 100 0.50

Subrasante 2 0.35 200 20 0.30

Tabla 5.2 Propiedades mecánicas de los materiales

*

E0 (Kg/cm2) Esat (Kg/cm2)

Subrasante 1 Subrasante 2 Subrasante 1 Subrasante 2

Subbase 1 3000 600 300 60

Subbase 2 2250 450 225 45

Tabla 5.3 Propiedades de la Subbase relacionadas con la Subrasante

ICIV 2003-1 13


5.4.3 Hidráulicos Capa Saturación Ksat (m/h)

Rodadura X X

Base 1 X X

Base 2 X X

Subbase 1 0.4 0.5079

Subbase 2 0.5 0.0546

Geotextil 0.2 0.8396

Subrasante 1 0.3 0.0051

Subrasante 2 0.3 0.0015

Tabla 5.4 Propiedades hidráulicas de los materiales

5.4.4 Térmicos Capa Kc (J/°C m h) C (J/ °C m3)

Rodadura 7200 1884060

Base 1 5275 2005000

Base 2 5275 2005000

Subbase 1 4039 2320100

Subbase 2 7189 2320100

Geotextil 932 1500600

Subrasante 1 3499 2450000

Subrasante 2 5569 2450000

Tabla 5.5 Propiedades térmicas de los materiales

5.5 Resultados

Se analizaron los resultados para las primeras tres modelaciones (Figuras 3.1a, 3.1b y 3.1c)

correspondientes al periodo de tres meses de lluvia.

ICIV 2003-1 13


5.5.1 Módulos de rigidez

Una de las características más importantes que se analizaron al finalizar las diferentes

modelaciones fue la del módulo de rigidez, ya que esta información es de gran importancia

para observar la influencia que posee la presencia de agua en las diferentes capas y qué tan

negativa puede ser su presencia dentro de las mismas.

5.5.1.1 Módulos de rigidez de las capas de Subbase Granular

Se puede observar fácilmente que durante la modelación los valores correspondientes a los

módulos de rigidez de la subbase granular que formaba parte de las distintas estructuras,

tuvieron una variación grande desde el primer día de la simulación. Para explicar de forma

más clara lo expuesto anteriormente se podría tomar como ejemplo la estructura 221, en

este caso el valor inicial de módulo de rigidez es de 2250Kg/cm2, en la gráfica 5.2 se

observa que al finalizar el primer día de simulación este valor pasa a ser de 1400Kg/cm2.

Esta reducción en el valor correspondiente al módulo no es el esperado ya que se redujo en

un 30% durante el primer día sin haberse producido lluvia alguna.

La segunda observación se refiere a los valores de módulo de rigidez que posee cada

estructura cuando se les coloca o no subdren longitudinal. En las siguientes gráficas se

observa que la estructura sin dren tiene un valor más alto de módulo, hecho que en la

realidad es poco probable.

Sin embargo, a pesar de la falla en los anteriores resultados, se puede resaltar el aspecto

cualitativo de los valores obtenidos después de la modelación en donde se puede observar

la influencia que tiene el material de la subrasante. Al comparar las estructuras 222 y 221 el

porcentaje de módulo de rigidez que se pierde al finalizar el periodo de simulación para la

primera es del orden del 32% (con dren) mientras que para la segunda es del 28% (con

dren).

ICIV 2003-1 13


Subbase

2,20E+02

2,40E+02

2,60E+02

2,80E+02

3,00E+02

3,20E+02

0 20 40 60 80 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2) con dren

sin dren

Gráfica 5.1 Módulos de Rigidez para la Estructura 222.

Subbase

9,00E+02

1,10E+03

1,30E+03

1,50E+03

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

con dren

sin dren


Subbase

2,80E+02

3,00E+02

3,20E+023,40E+02

3,60E+02

3,80E+02

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

con dren

sin dren


ICIV 2003-1 13


5.5.1.2 Módulos de rigidez de las capas asfálticas

En las siguientes gráficas se puede observar con mayor claridad la gran variación que

sufren los valores de módulo de rigidez al finalizar la simulación. Se puede ver claramente

la influencia que posee la presencia de una buena capa de subbase en la variación de los

módulos para la capa de base asfáltica: al comparar las estructuras 212 y 222, los módulos

tienen un orden de magnitud de 104 para el primer caso y de 102 para el segundo. Sin

embargo a pesar de esto, las fallas se siguen presentando, para el caso de la rodadura el

valor correspondiente de módulo de rigidez inicial es de 45000Kg/cm2, y en el mejor de los

casos analizados se reduce a 18000Kg/cm2, lo que indica la presencia de ciertas fallas en el

programa. Para el caso de la base asfáltica sucede algo parecido, inicialmente el valor

correspondiente al módulo de rigidez inicial es de 60000Kg/cm2 y en el mejor de los casos

se reduce hasta un valor de 25000Kg/cm2.

Rodadura

0,00E+00

5,00E+03

1,00E+04

1,50E+04

2,00E+04

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

Gráfica 5.4 Módulos de rigidez de la capa de rodadura para la estructura 222.

Base Asfáltica

0,00E+00

2,00E+02

4,00E+02

6,00E+02

8,00E+02

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

Gráfica 5.5 Módulos de rigidez para la capa de base asfáltica para la estructura 222.

ICIV 2003-1 13


Rodadura

0,00E+00

1,00E+04

2,00E+04

3,00E+04

4,00E+04

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

Gráfica 5.6 Módulos de rigidez de la capa de rodadura para la estructura 212.

Base Asfáltica

0,00E+00

1,00E+04

2,00E+04

3,00E+04

0 50 100

Tiempo (Kg/cm2)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

Gráfica 5.7 Módulos de rigidez de la capa de base asfáltica para la estructura 212.

Rodadura

1,00E+025,10E+031,01E+041,51E+042,01E+042,51E+04

0 20 40 60 80 100

Tiempo (días)

Mó

du

lo d

e ri

gid

ez

(Kg

/cm

2)

Gráfica 5.8 Módulos de rigidez de la capa de rodadura para la estructura 221

ICIV 2003-1 13


Base Asfáltica

0,00E+002,00E+024,00E+026,00E+028,00E+021,00E+03

0 50 100

Tiempo (días)

Mó

du

los

de

rig

idez

(K

g/c

m2)

Gráfica 5.9 Módulos de rigidez de la capa de base asfáltica para la estructura 221.

5.5.2 Deformaciones verticales

La información obtenida sobre deformaciones verticales conforma el otro indicador de la

relevancia que posee la inclusión de sistemas eficientes de evacuación de agua infiltrada.

La presencia de agua en exceso permite la una mayor deformación de las capas granulares.

Deformaciones verticales

-0,002

-0,0015

-0,001

-0,0005

0Con Subdren Sin Subdren

222

212

221

Gráfica 5.10 Deformaciones verticales en la base de la capa de Subbase.

Los resultados mostrados en la gráfica 5.10 muestran las diferencias en cuanto a

deformaciones verticales que se presentaron al finalizar el periodo de la simulación. Como

se puede observar, las deformaciones verticales en la base de las capas granulares fueron de

mayor magnitud para la estructura 222 ya que posee una subrasante y una subbase granular

débil y poco permeable. Para los dos casos restantes la deformación fue menor para la

estructura con una subbase granular fuerte y muy permeable, sin embargo los resultados no

ICIV 2003-1 13


permiten llevar a cabo una conclusión coherente ya que las estructuras que se modelaron

sin subdren longitudinal presentaron una deformación menor y esto es opuesto a las

investigaciones realizadas en el campo de drenaje subsuperficial de pavimentos.

5.5.3 Saturación

La información obtenida mediante la observación de las siguientes graficas es de gran

importancia debido a que muestra de una forma sencilla pero concreta el estado de

saturación de la estructura de pavimento.

Grafica 5.11 Saturación de la estructura 212 sin subdren longitudinal.

Grafica 5.12 Saturación de la estructura 212 con subdren longitudinal.

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Los resultados mostrados en las graficas 5.11 y 5.12 son el resultado de la modelación

realizada, la gráfica representa el estado de saturación de ambas estructuras en el día 93, es

decir, después de los tres meses estipulados de simulación. Se puede observar que para el

final del periodo simulado, la estructura sin subdren longitudinal posee capas de pavimento

menos saturadas, mientras que en la estructura con subdren longitudinal, el pavimento se

encuentra totalmente saturado. Estas observaciones llevarían a la conclusión errada que

afirmaría el beneficio que traería el no incluir un sistema de drenaje subsuperficial dentro

de la estructura del pavimento, lo cual es contrario al objetivo de la simulación.

5.6 Conclusión

Debido a que los resultados de las primeras tres modelaciones no eran concluyentes, se

tomó la decisión de no continuar con las siguientes simulaciones, ya que el programa Clima

(Caro, García 2001) tenía problemas internos y no proporcionaba información relevante

para cumplir con el objetivo de este proyecto.

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6. DATOS RELEVANTES PARA LA REALIZACIÓN DE UNA MODELACIÓN

6.1 Introducción

En este capítulo se pretenden recopilar los datos relevantes que se podrían llegar a

necesitar para simular el comportamiento de una estructura de pavimento. Para los

materiales granulares es importante la determinación de los límites de Atterberg y su

clasificación, pero en este capítulo no se expondrán estas propiedades.

6.2 Propiedades

6.2.1 Propiedades de los materiales granulares

6.2.1.1 Módulos de deformación lineal y coeficientes de Poisson

Tipo de Suelo E (Kp/cm2) ν

Arcilla muy dura con alto porcentaje de hierro 150-1300 0,4

Arcilla margosa medio dura a firme 21-57 0,4

Arcilla muy plástica de media a firme 13-135 0,4

Arenisca de grano muy fino 25-610 0,3

Tabla 6.1 Coeficientes de Poisson y módulos para arcillas (Bowles, Joseph E. 1982)

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6.2.1.2 Saturación

Estado de la Arena Saturación Sr (%)

Seca 0

Ligeramente Húmeda 1-25

Húmeda 26-50

Muy húmeda 51-75

Mojada 76-99

Saturada 100

Tabla 6.2 Valores de saturación correspondientes al estado físico de las arenas

(Bowles, Joseph E. 1982)

6.2.1.3 Propiedades elementales

Tipo de Suelo n (%) e w γd (t/m3)

Arena uniforme floja 46 0,85 32 1,43

Arena uniforme densa 34 0,51 19 1,75

Arena bien gradada floja 40 0,67 25 1,59

Arena bien gradada densa 30 0,43 16 1,86

Arcilla recién sedimentada 96.8-62 30,3-1,63 1120-60 0,086-1,03

Arcilla muy blanda 70-50 2,33-1 86-37 0,81-1,03

Arcilla blanda 70-40 2,33-0,67 86-25 0,81-1,35

Arcilla media 58-33 1,40-0,49 52-18 1,13-1,81

Arcilla firme 56-33 1,27-0,49 47-18 1,09-1,81

Arcilla dura 51-30 1,03-0,18 38-7 1,32-2,29

Arcilla esquistosa 15-5 0,18-0,05 37-1,9 2,29-2,56

Arcilla de muy blanda a blanda muy orgánica 75-64 3-1,8 110-67 0,68-0,97

Arcilla de muy blanda, orgánica 66-50 1,9-1 70-37 0,93-1,35

Turba 96-67 25-2 3200-100 0,04-0,41

Tabla 6.3 Valores típicos correspondientes a porosidad, relación de vacíos y densidad seca


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6.2.1.4 Permeabilidad

Tipo de suelo K (cm/s)

Gravas Mayor a 1

Arenas gruesas 1-10-1

Arenas medias 10-1-10-2

Arenas finas 10-2-10-3

Arenas limosas 10-3-10-4

Turba 10-3-10-7

Limos y arcillas meteorizados 10-4-10-7

Arcillas no meteorizadas 10-7-10-9

Tabla 6.4 Valores típicos de permeabilidad para diferentes tipos de suelo


6.2.2 Propiedades de los materiales asfálticos

6.2.2.1 Módulos de deformación lineal y coeficientes de Poisson

Capa tratada con asfalto E (Kp/cm2) ν

Rodadura 35000-55000 0,35

Base Negra 30000-94000 0,35

Tabla 6.1 Coeficientes de Poisson y módulos para materiales tratados con asfalto (Manual

de diseño de Pavimentos para Santafé de Bogotá, 1998)

6.2.2.2 Saturación

Capa tratada con asfalto Saturación Sr (%)

Rodadura 0-25

Base Negra 0-30

Tabla 6.2 Valores de saturación correspondientes a las diferentes capas asfálticas (Bowles,

Joseph E. 1982)

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6.2.1.4 Permeabilidad y porosidad

Capa tratada con asfalto K (cm/s) n (%)

Rodadura 1,0*10-5-1,8*10-5 5-15

Base Negra 1,8*10-5-2,5*10-5 10-15

Tabla 6.4 Valores típicos de permeabilidad y porosidad para capas tratadas con asfalto


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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las diferentes investigaciones realizadas en este trabajo permiten concluir que la

implementación de sistemas de drenaje subsuperficial de pavimentos ha cobrado fuerza

durante los últimos años. La afirmación “los sistemas de drenaje aumentan la vida útil del

pavimento” es equivocada, en realidad lo que sucede es que el sistema una vez implantado

permite que la estructura del pavimento trabaje bajo las condiciones de humedad para las

cuales fue diseñada.

En los capítulos anteriores se mostraron algunas de las nuevas tecnologías para drenaje

subsuperficial de pavimentos, lo realmente importante de cada una de ellas no es solo su

funcionamiento, se debe conocer con detalle su costo para determinar si es viable o no

aplicar dicha tecnología en un lugar en especial.

Se observó con claridad que muchos de los sistemas mencionados anteriormente están

formados por diferentes capas de geomateriales, es decir, la tecnología empleada en

realidad no es tan innovadora ya que los geomateriales se han venido desarrollando desde

hace algún tiempo. Sin embargo, lo que hace realmente importante a esta tecnología es la

combinación de los diferentes materiales para obtener un sistema que funcione eficazmente,

evacuando el agua no deseada que se encuentra dentro de la estructura.

Una de las conclusiones fácilmente observables durante la elaboración del trabajo es sin

duda la importancia que tiene la permeabilidad de la capa de rodadura. Con el paso del

tiempo, el desgaste de la capa y la formación de grietas permiten la fácil penetración del

agua hacia la estructura. Por lo tanto es importante tener en cuenta que no solo se debe

prestar especial atención al desarrollo de tecnologías para el drenaje subsuperficial, es

decir, se podría investigar un poco más sobre la impermeabilización de la capa de rodadura

para que de esta forma sea menor la cantidad de agua que se infiltra dentro del pavimento.

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8. REFERENCIAS

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• J. E. Bowles, 1982, Propiedades Geofísicas de los Suelos, McGraw-Hill, traducción

Eugenio Retamal; Hugo Cosme.

• S. Caro y C. García, 2001, Efecto del Clima sobre el Desempeño de Pavimentos, Maestría en Ingeniería Civil, Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia.

• B. Christopher, and A. Zhao, 2001, Design Manual for Roadway Geocomposite

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• B. Christopher, S. Hayden and A. Zhao, 2000, Roadway Base and Subgrade Geocomposite Drainage Layers, American Society for Testing and Materials.

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• Instituto Nacional de Vías, 1998, Manual de Estabilidad de Taludes: Geotecnia

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NUEVAS TECNOLOGÍAS EN DRENAJE SUBSUPERFICIAL DE PAVIMENTOS